Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0090

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0090
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Название доклада
Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование разрушения теплозащитных покрытий и образования плазмы вблизи поверхности гиперзвуковых летательных аппаратов
Докладчик
Сон Эдуард Евгеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание прикладного программного комплекса (ППК) и проведение обеспечивающих экспериментальных исследований для комплексного моделирования условий движения спускаемых гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) в атмосфере, учитывающих изменение формы поверхности ГЛА вследствие разрушения теплозащитного покрытия (ТЗП).
Для задач гиперзвукового полета в рамках данного проекта будут решены следующие задачи:
– исследование поведения высокоэнтальпийного пограничного слоя в условиях наличия источников низкоэнтальпийного газа на поверхности тела и создание адекватной математической модели.
– влияние продуктов разрушения поверхности на ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое.
– влияние вдува в пограничный слой на аэродинамические характеристики аппарата в целом.
Актуальность и новизна исследования
В последнее время интенсивно разрабатываются гиперзвуковые спускаемые летательные аппараты (ГСЛА) гражданского назначения, которые могут быть многоразовыми, оснащенными современным оборудованием, таким как гиперспектральные камеры, детекторы излучений и частиц и многие другие.При движении ГСЛА со скоростями входа в атмосферу порядка 5 – 8 км/с температура ударно-сжатого слоя достигает величины до 10 тысяч градусов, что приводит к интенсивному образованию плазмы вблизи поверхности ГСЛА и разрушению теплозащитного покрытия (ТЗП). Разрушение ТЗП приводит к изменению формы ГСЛА, что вызывает перераспределение аэродинамических сил и моментов, действующих на ГЛА и тем самым к увеличению предельно допустимого отклонения от заданной траектории полета. В настоящее время интерес к СГЛА вызван появлением новых теплозащитных материалов, новых суперкомпьютерных технологий для математического моделирования динамики СГЛА и появления новых экспериментальных комплексов, позволяющих проводить эксперименты и расчетно-теоретические работы на новом уровне, близком к полетным.Для моделирования взаимодействия высокотемпературного потока с летательными аппаратами наиболее удобным является генератор низкотемпературной плазмы (ГНП) с возможностью получать гомогенные и гетерогенные потоки газа с заданными давлениями и температурой в широком интервале скоростей, вплоть до сверхзвуковых. Взаимодействие ионизованного газа с теплозащитными покрытиями обусловлено протеканием многочисленных сложных и взаимосвязанных процессов. Результаты созданной программы позволяют с хорошей для инженерных расчетов точностью предсказывать изменение формы головной части летательного аппарата.
Описание исследования

На первом этапе выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме моделирования условий движения ГЛА в атмосфере и приведены:

  • обзор современной научно-технической литературы по проблеме гиперзвуковых летательных аппаратов;
  • численные методы, используемые для моделирования течения около ГЛА,
  • модели турбулентного; описания сплошных сред,
  • численные методы, используемые для моделирования излучательного теплообмена около ГЛА;
  • обзор работ по взаимодействию высокоэнтальпийного плазменного потока с поверхностью различных материалов.

В результате проведенного анализа патентно-лицензионной ситуации и анализа технического уровня разработок в области гиперзвуковой летательной техники были выявлены актуальные задачи, обуславливающие требования к прикладному программному комплексу, разрабатываемому в рамках выполняемого прикладного научного исследования.

Разработаны физико-математические модели процесса кипения и сублимации ТЗП и технология изменения формы поверхности ГЛА при численном моделировании с помощью автоматической замены модели с использованием CAD-системы и создана предварительная версия программного компонента ППК, моделирующего гиперзвуковой поток, обтекающий ГЛА с учетом химических реакций на поверхности ГЛА и изменения его формы, вызванного разрушением ТЗП.

Для определения параметров плазмотрона и образования плазмы у поверхности ГЛА созданы  экспериментальные образцы зондов из тугоплавких материалов для измерения концентрации электронов в потоке химически активной плазмы и датчиков на основе эффекта Холла.

Проведено дооснащение экспериментального стенда для экспериментального исследования процесса разрушения образцов ТЗП в потоке химически неактивной плазмы , которое позволило в режиме реального времени производить высокоскоростную видеорегистрацию системы «струя – образец», выполнять спектральные измерения излучательных характеристик плазмы и образца, регистрировать термограмму нагрева образца, проводить оценку скорости убыли массы вещества и получать все необходимые входные данные для разрабатываемого программного продукта.

В следующем этапе разработана физико-математическая модель радиационного излучения плазмы в ударно сжатом слое. В частности представлены методы расчета термодинамических свойств и состава горячего газа (плазмы), образующегося в ударном слое, характеристик элементарных радиационных процессов, интегральных оптических свойств, а также экономичные способы решения уравнения переноса излучения. Изготовлены и проверены экспериментальные образцы датчиков на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в условиях, моделирующих параметры спуска по энтальпии.  

Проведена верификации и валидация предварительной версии КППК. При этом проведено моделирование 10 различных задач. Произведена проверка

-  генератора начальной сетки,

- алгоритма динамической адаптации сетки,

- алгоритма распределения вычислений по процессорам,

- метода численного интегрирования уравнений в частных производных, описывающих законы сохранения массы, импульса и энергии для сжимаемого газа,

- алгоритмов, реализующих  различные граничные условия.

Проведены экспериментальные исследования процесса разрушения образцов ТЗП в потоке химически неактивной плазмы и вычислительный эксперимент. Полученные численные результаты хорошо согласовались с экспериментальными и теоретическими данными, что позволяет сделать вывод об успешной верификации и валидации предварительной версии программного компонента ППК.

Затем была разработана физико-математическая модель турбулентности воздушного потока с многокомпонентной диффузией и химическими реакциями на поверхности ГЛА и математическая модель процесса разрушения ТЗП с кинетикой и диффузией и изменением геометрии методом конечных объёмов. На основе разработанных моделей созданы и валидированы программные компоненты ППК. Проведены экспериментальные исследования изменения формы поверхности малоразмерной модели ГЛА, вызванного разрушением ТЗП в потоке химически активной плазмы и аналогичный вычислительный эксперимент. Полученные численные результаты хорошо согласуются с экспериментальными и теоретическими данными.  В соответствии с результатами вычислительных экспериментов и экспериментальных исследований проведены доработки программных компонентов ППК

 

Результаты исследования

На основе анализа современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме моделирования условий движения ГЛА в атмосфере разработаны:

физико-математическая модель области радиационного излучения плазмы в ударно сжатом слое на поверхности ГЛА;

физико-математическая модель турбулентности воздушного потока с многокомпонентной диффузией и химическими реакциями на поверхности ГЛА;

физико-математическая модель процесса разрушения ТЗП с кинетикой и диффузией и изменением геометрии летательного аппарата методом конечных объёмов.

На основе разработанных физико-математических моделей были созданы, валидированы и верифицированы следующие программные компоненты:

Программный компонент ППК, моделирующий интенсивный радиационный теплообмен на поверхности ГЛА;

Программный компонент ППК, моделирующий турбулентность воздушного потока с многокомпонентной диффузией и химическими реакциями на поверхности ГЛА;

Программный компонент ППК, моделирующий гиперзвуковой обтекающий поток с учетом химических реакций на поверхности ГЛА и изменения формы поверхности ГЛА, вызванного разрушением ТЗП.

Для обеспечения экспериментальных исследований  были разработаны экспериментальные образцы зондов из тугоплавких материалов и датчиков на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в потоке химически активной плазмы.

Для верификации созданных компонентов были проведены экспериментальные исследования процесса разрушения образцов ТЗП в потоках химически неактивной плазмы и изменения формы поверхности малоразмерной модели ГЛА в потоке химически активной плазмы. Для проведения экспериментов была значительно улучшена измерительная аппаратура двух экспериментальных стендов. 

 

 

Практическая значимость исследования
Внедрение создаваемого программного комплекса в процесс позволит сократить затраты на разработку конструкции перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов.